De elementaire deeltjes die in de Large Hadron Collider in CERN op elkaar worden gebotst hebben een duizelingwekkend hoge energie. Maar wie denkt dat zulke deeltjes zeldzaam zijn komt bedrogen uit. De aardatmosfeer wordt voortdurend bestookt met een bombardement aan dergelijke deeltjes. Sommigen zijn nog wel een miljoen of zelfs een miljard keer energieker dan de snelste deeltjes in CERN. Blijkbaar is het heelal nog een stuk beter in het bouwen van versnellers dan wij. Maar hoe doet het heelal dat eigenlijk? Stijn Buitink van de Vrije Universiteit Brussel onderzoekt het en kreeg een de prestigieuze ERC Grant voor.
Kosmische straling en Supernovas
Die vraag is niet eenvoudig op te lossen. Sterker nog: de hoogenergetische deeltjes uit de ruimte, kosmische straling genaamd, worden al ruim een eeuw waargenomen maar we kunnen nog steeds niet met zekerheid vaststellen waar ze vandaan komen. We vermoeden dat een groot deel van de straling van supernovas komt. Supernovas zijn sterren die aan het eind van hun leven ontploffen. De schokgolven die daarbij vrijkomen, kunnen tientallen lichtjaren groot worden. Dat levert prachtige plaatjes op, maar het is ook een plek waar elementaire deeltjes een gigantische energie kunnen bereiken door een tijdlang op de schokgolf mee te surfen.
Willekeurige botsingen hoog in de atmosfeer
Hoe detecteren we die deeltjes? In CERN weten we precies waar een deeltje gaat botsen en we kunnen al onze detectoren daar rond omheen bouwen. Voor kosmische straling ligt dat moeilijker. De deeltjes zullen op willekeurige plekken, kilometers hoog in de atmosfeer, op een luchtmolecuul botsen. In dat proces ontstaan nieuwe deeltjes, die ook weer botsen. Het resultaat is een kettingreactie waarin miljoenen deeltjes ontstaan die tegelijk het aardoppervlak bereiken, uitgespreid over kilometers. Die secundaire deeltjes kunnen we meten en daaruit leiden we de energie en aankomstrichting van het kosmische deeltje af.
Maar alleen maar de secundaire deeltjes meten die het aardoppervlak bereiken is niet genoeg. Het is zeer moeilijk te achterhalen op welke hoogte het deeltje op een luchtmolecuul bostste en laat dat nu net een van de interessantse dingen zijn die we willen meten. Het vertelt ons namelijk iets over de massa van het deeltje. Lichte protonen dringen diep in de atmosfeer door, terwijl zwaardere deeltjes zoals koolstof- of ijzerkernen op veel grotere hoogte al tegengehouden worden. Technieken om de hoogte van de botsingen te meten leren ons dus meer over het soort deeltjes en daardoor meer over hun herkomst.
__________________________________
” Door het meten van secundaire botsende deeltjes, leiden we de energie en aankomstrichting van het oorspronkelijke kosmische deeltje af “
_________________________________
Duizenden simpele antennetjes
Een zo’n techniek is radiodetectie van kosmische straling. Die techniek stond tien jaar geleden nog in de kinderschoenen, maar is dankzij moderne observatoria en nieuwe analyse technieken razendsnel uitgegroeid tot een belangrijke detectiemethode. De radiostraling ontstaat doordat na een botsing de secondaire deeltjes gaan afbuigen in het aardmagnetisch veld. Hierdoor ontstaan stroompjes waar ultrakorte radioflitsen vanaf komen. Ultrakort betekent hier: iets tussen de 10 en 100 nanoseconden.
Met mijn ERC grant doe ik onderzoek naar kosmische straling met de LOFAR radiotelescoop in Nederland. LOFAR is opgebouwd volgens een revolutionair concept: het bestaat niet uit grote, indrukwekkende schotels, maar uit duizenden simpele antennetjes van ongeveer een meter hoog. De signalen van al die antennes worden gedigitaliseerd en kunnen met de computer gecombineerd worden. Wij meten met LOFAR de radioflitsen van kosmische straling en achterhalen daarmee hun chemische samenstelling. Op die manier ontrafelen we stapje voor stapje de geheimen van de krachtigste explosies in het heelal.
